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Identifizierung und Quantifizierung von Mikroplastik mittels quantitativer ¹H-NMR Spektroskopie

  • Plastik und damit einhergehend auch Mikroplastik (MP) ist mittlerweile global präsent und stellt ein zunehmend signifikantes Problem für die Umwelt dar. Um die Verbreitung und Aus¬wirkung von MP im Ansatz zu verstehen, ist es wichtig, MP über einen weitreichenden Größenbereich zu identifizieren und zu quantifizieren sowie eine Vergleichbarkeit von Studien zu gewährleisten. Jedoch besteht noch großer Forschungsbedarf auf dem Gebiet der größenunabhängigen, quantitativen Analyse von MP in Umweltproben, besonders im Hinblick auf die massenbasierte MP-Konzentrationsangabe. Daher wird in dieser Dissertation die quantitative ¹H-NMR Spektroskopie (qNMR) als eine alternative Methode für die MP-Analyse etabliert. Bei der qNMR-Methode handelt es sich um eine schnelle, größenunabhängige, massenbasierte Methode, welche als alternative MP-Analytik angewendet werden kann und Potential zur Routineanalytik aufweist. Am Beispiel von LDPE, PET und PS erfolgte der Konzeptnachweis (Kapitel 2). Zusätzlich wurden PVC, PA und ABS Partikel getestet, um die wichtigsten Polymertypen für die MP-Analyse abzudecken (Kapitel 3). Am Beispiel von PET, PVC und PS wurde überprüft, ob die qNMR-Methode auch auf die kosteneffektivere NoD-Methode übertragbar ist (Kapitel 4). Die Ergebnisse der Validierung beider Methoden (1D und NoD) zeigen, dass die Quantifizierung von MP-Partikeln mittels qNMR nicht nur prinzipiell möglich ist, sondern auch eine hohe Richtigkeit (88.0 - 110 %) aufweist und die Nachweisgrenzen (1 - 84 µg) im umweltrelevanten Bereich liegen. Weiterhin wurde überprüft, ob sich nicht nur Hochfeld-Geräte für die MP-Analyse eignen, sondern auch niedrigauflösende Benchtop-Geräte, welche in Anschaffung und Unterhalt wesentlich kosteneffektiver sind. Durch Erhöhung der Messzeit von auf ca. 30 min für PET und PS und auf ca. 140 min für PVC konnte die geringere Messfrequenz ausgeglichen werden (Kapitel 4). Um die Frage möglicher Matrixeffekte von Umweltproben zu behandeln, wurden darüber hinaus eben solche Matrixeffekte sowie Wiederfindungsraten von PET-Fasern bei Anwendung einer speziell für die qNMR-Methode optimierten Probenvorbereitung in Gegenwart von Modellmatrices bestimmt (Kapitel 5). Es konnte gezeigt werden, dass die Umweltmatrices die quantitative Analyse nicht stören und die speziell für die qNMR Analytik entwickelte Probenvorbereitung, mit Wiederfindungsraten von > 80% für die unterschiedlichen Umweltmatrices, angewendet werden kann (Kapitel 5). Über erste orientierende Untersuchungen zur simultanen Bestimmung mehrerer Polymerarten in einer Probe wird abschließend berichtet (Kapitel 6).
  • Plastic, and so microplastics (MP), are globally present and represent an increasingly significant problem for the environment. In order to understand the distribution and impact of MP it is important to identify and quantify MP over a wide range of sizes and to ensure comparability of studies. However, comparability of studies is made difficult or even impossible by different MP concentration data. There still is a great need for research in the field of size-independent, quantitative analysis of MP in environmental samples, especially with regard to mass-based MP concentration information. Therefore, this thesis aims to utilize quantitative ¹H-NMR spectroscopy (qNMR) as an alternative method in MP analysis. The qNMR method is a size-independent, mass-based method which can be used as an alternative for MP analysis and has potential for routine analysis. The proof-of-concept was demonstrated for LDPE, PET and PS particles (Chapter 2). Additionally, PVC, PA, and ABS particles were tested to cover the most important polymer types for MP-analysis (Chapter 3). Moreover, using PET, PVC and PS as examples it was examined whether the qNMR method can also be transferred to the more cost-effective NoD method (Chapter 4). Results of method validation of both methods (1D and NoD) show that quantification using the qNMR method is not only possible in principle, but also shows high accuracy (88.0-110 %) and detection limits (1 – 84 µg) that lie within the environmentally relevant range. Furthermore, it was examined whether not only high-field instruments are suitable for MP analysis, but also benchtop devices (low-field instruments), which are much more cost-effective in purchase and maintenance. Increasing measurement times for PET and PS to 30 min and for PVC to 140 min, the lower measuring frequency especially concerning resolving capacity could be compensated (Chapter 4). To address the question of potential matrix effects of environmental samples, matrix effects and recovery rates of sample preparation procedures, which have been developed specifically for the application of the qNMR method were investigated using PET fibers as an example (Chapter 5). It could be shown that environmental matrices do not interfere with the quantitative analysis of MP using qNMR methods. Specific sample preparation methods developed for qNMR analysis can be used with recovery rates > 80 % for different environmental matrices (Chapter 5). Finally, first orienting investigations for the simultaneous determination of several polymer types in one sample are reported (Chapter 6).

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Metadaten
Author:Nadine Peez
URN:urn:nbn:de:kola-21545
Referee:Wolfgang Imhof, Thomas Ternes, Jürgen Senker
Advisor:Wolfgang Imhof
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of completion:2021/02/04
Date of publication:2021/02/05
Publishing institution:Universität Koblenz-Landau, Universitätsbibliothek
Granting institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Koblenz, Fachbereich 3
Date of final exam:2021/01/29
Release Date:2021/02/05
Number of pages:IX, 119
Comment:
Zeitschriftenaufsätze sind nicht enthalten.
Institutes:Fachbereich 3 / Institut für Integrierte Naturwissenschaften / Institut für Integrierte Naturwissenschaften, Abt. Chemie
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